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Digitale Fabrik der Zukunft

Gemeinsame Regeln schaffen

Vor 20 Jahren klang es noch nach Science Fiction, heute ist es in greifbare Nähe gerückt: Die digitale Fabrik wird mehr und mehr zur Realität. Kommunikation zwischen allen Beteiligten ist dafür die grundlegende Voraussetzung. Für den barrierefreien Informationsaustausch braucht die Industrie eine weltweite datenzentrierte Infrastruktur. Dafür werden dringend Normen und Standards benötigt.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Die Auswirkungen und die Vorteile der Digitalisierung verändern die Lebensweise und das Handeln jedes Einzelnen signifikant. Vor diesem Hintergrund wächst der Bedarf nach digitalen Daten nicht nur im privaten, sondern auch im betrieblichen und öffentlichen Bereich stetig. In der industriellen Umgebung werden digitale Daten in Prozessen und Modellen verwendet. Sie sind mittlerweile so eng mit den realen Objekten vernetzt, dass sie die Wertschöpfung und den Geschäftserfolg von Unternehmen zunehmend ermöglichen oder begrenzen. Die derzeit produktzentrierten Geschäftsmodelle wandeln sich daher zu nutzergetriebenen, prozessorientierten Ansätzen, die auf digitalen Daten basieren. Aufgrund der technologischen Weiterentwicklung haben sich die Bandbreite von Netzwerken, die Verfügbarkeit erschwinglicher, dezentral nutzbarer Rechenleistung sowie das Datenspeichervolumen der industriellen Geräte in den letzten fünf Jahren derart erhöht, dass die ‚digitale Fabrik‘ in greifbare Nähe rückt. Was vor 20 Jahren noch utopisch erschien, wird heute in ersten Projekten umgesetzt.

In diesem Umfeld steht mit Industrie 4.0 ein Leitbild für die Produktion von morgen zur Verfügung. Auf der Grundlage einer datenzentrierten Infrastruktur mit dem Internet als Kommunikationssystem, ändern sich Produkte und Dienstleistungen sowie deren Infrastruktur und Handhabung über Domain-Grenzen hinweg. Neben dem Produkthersteller, Systemintegrator und Anwender können deshalb auch Plattformen und Service-Unternehmen neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle entlang der gesamten Wertschöpfungskette über den Lebenszyklus von Produkten und Fertigungssystemen anbieten.

Offen für Entwicklungen

Dabei erweist sich die Kommunikation zwischen den Beteiligten der datengetriebenen Prozesse und den realen Komponenten als notwendige Voraussetzung. Andererseits sind aber ebenfalls Barrieren erkennbar. Die erforderliche datenzentrierte Infrastruktur stützt sich im Wesentlichen auf zwei Fähigkeiten. Zum einen handelt es sich um den Datenaustausch zwischen den einzelnen Akteuren – also Menschen, Produkten (Hard- und Software) und Systemen (Geschäftsmodelle, Produktionsanlagen, Maschinen). Auf der anderen Seite müssen die kommunizierten Inhalte (Semantik, Syntax, Prozesse) ausgestaltet sein. Sie werden von den Beteiligten in den unterschiedlichen Formen der Wertschöpfungskette erzeugt oder konsumiert und führen letztendlich zu einem Nutzen in der jeweiligen Wertschöpfungskette und damit zu neuen Geschäftsmodellen. Basis dafür ist die durchgängige Digitalisierung aller, in den Prozess involvierten Akteure.

In diesem Umfeld stellt sich die Herausforderung, beide Fähigkeiten – Datenaustausch und Ausgestaltung der kommunizierten Inhalte – technisch so auszuprägen, dass sie den Anforderungen der bekannten Produktionstechniken und Wertschöpfungsketten genügen. Darüber hinaus müssen sie durch ihre Struktur und Maschinenlesbarkeit offen für derzeit noch nicht existente, technische Rahmenbedingungen und Geschäftsmodelle sein. In beiden Bereichen gibt es somit Handlungsbedarf im Hinblick auf die Forschung und Schaffung gemeinsamer Regeln, die als Standards, Leitlinien oder sogar regulierende Größen definiert und umgesetzt werden müssen.

Modelle fürs Zusammenspiel

In diesem Zusammenhang muss eine Diskussion auf technischer und gremienpolitischer Ebene stattfinden, die auf die Erstellung einer weltweiten, datenzentrierten Infrastruktur abzielt. In verschiedenen Konsortien, Ausschüssen und Länderinitiativen wird aktuell versucht, das Zusammenspiel zukünftiger Systeme durch spezifische Modelle zu beschreiben. Inhaltlich beschäftigen sich die Vereinigungen mit den zu erwartenden Fertigungsketten und Interaktionen in den Wertschöpfungsketten sowie zwischen den beteiligten Menschen, Produktionssystemen und Produkten. Dabei sind augenscheinlich unterschiedliche Referenzmodelle entwickelt worden. Im Wesentlichen handelt es sich um das ‚Referenz Architektur Modell Industrie 4.0‘ (Rami 4.0) und das Modell der ‚Industrie 4.0 Komponente‘ der Plattform Industrie 4.0 sowie das ‚Industrial Internet Reference Architecture Model (IIRA)‘ des Industrial Internet Consortium (IIC). In beiden Modellen fungiert das Internet der Dinge, Dienste, Menschen und Maschinen als zentraler Kern. Aus zwei Sichten – der IT und der industriellen Fertigung – werden Voraussetzungen erzeugt, um auf Basis des Referenzarchitekturmodells hochflexible Lösungen zu beschreiben und zu realisieren.

Investitionssicherheit bedeutet hier, dass nach Möglichkeit vorhandene internationale Standards genutzt, kongruente Normen harmonisiert oder alternative Richtlinien vereinbart werden. Fehlende Normen sind durch internationale Gremien gemeinsam festzulegen, damit die Anwender auf ihre weltweite Geltung vertrauen können. Gibt es keine Prozesse zur Erarbeitung der Standards, müssen diese etabliert werden, sodass sich die Geschwindigkeit ihrer Umsetzung erhöht.

Eindeutige Vereinbarungen

Neben dem physikalischen Transport der Daten und dem Aufbau einer Kommunikationsbeziehung, dienen die Semantik und Syntax als kommunikativer Kitt zwischen den Beteiligten. Nur so ist ein interoperabler Datenaustausch möglich. Doch nicht jede Domain verwendet die gleiche Syntax und Semantik. Analog zur menschlichen Sprache können allerdings mit vereinheitlichten Regeln, Unterschiede übersetzt und somit die Kommunikation wiederhergestellt werden. In diesem internationalen Standardisierungsprozess gilt es eindeutige Vereinbarungen zu treffen sowie Transparenz zu schaffen, um doppelte Definitionen zu vermeiden. Außerdem müssen die Perspektiven der unterschiedlichen Interessengruppen (Stakeholder) identifiziert und berücksichtigt werden.

Zu den Interessengruppen gehören IT-Unternehmen und Automatisierer sowie die Nutzer, Betreiber, Besitzer, Lieferanten, Entwickler und Instandhalter der Systeme. Aus ihrer Perspektive sollen die Eigenschaften des Systems – unter anderem sein Einsatzzweck und die Eignung zur Erreichung dieses Ziels, die Umsetzung, potentielle Risiken und die Wartbarkeit über den gesamten Lebenszyklus – beschrieben werden. Zwischen den Referenzarchitekturmodellen gibt es kein ‚entweder oder‘. Sie stellen jeweils aus verschiedenen Perspektiven in ihren Systemgrenzen das Mitein-ander bei der Herstellung und Nutzung von Produkten und Diensten dar. Fehlende oder fehlgeleitete Standardisierung kann die Verwendung jedoch erschweren. Ferner könnte die Anwendung in ihrer Entstehung derart aufwendig gestaltet sein, dass Unternehmen in ihrer Innovation gebremst werden oder Potentiale nicht vollständig zur Verfügung stehen. Als entscheidend für den Erfolg der Modelle erweist sich der gemeinsame Einsatz von Kommunikationsmitteln und Kerndefinitionen. Beide sollten den Anforderungen, an die zum Teil unterschiedlichen Facetten von Büro- und Produktionsbereich genügen, ohne die Vorteile einer symbiotischen Zusammenarbeit zu verschenken.

Die beteiligten Konsortien, Verbände, Länderinitiativen und Unternehmen haben dies erkannt. Sie stehen derzeit aber noch vor der Frage der Umsetzung respektive einer gemeinschaftlichen Vorgehensweise – hinsichtlich der Strukturierung sowie ergänzender, den eigenen Fähigkeiten entsprechenden Aktivitäten, ohne sich gegenseitig zu kannibalisieren oder auszuschließen. Die anstehenden Arbeiten im Bereich des taktilen Internets für Industrie 4.0-Anwendungen beispielsweise auf Basis des G5-Funkstandards oder zur Kernsemantik von Industrie 4.0 respektive dem Internet of Things werden hier ein Prüfstein sein.

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